内布拉斯加州半干旱沙丘草原15年生物量生产研究：季节性降水与温度对植物功能群生产力的影响机制

本研究针对半干旱草原生态系统对气候变化响应的关键科学问题，通过17年长期观测数据（2007-2023），采用逐步回归和随机森林算法，揭示了C3 /C4 草本及杂类草功能群对季节性降水（PreAcc）和积温（GDDAcc）的差异化响应规律，为气候变化背景下草地适应性管理提供了重要理论依据。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，半干旱草原生态系统的生产力动态成为生态学研究的热点。内布拉斯加沙丘草原作为北美重要的农牧交错带，其植被生长对降水格局和温度变化的响应机制尚未完全阐明。传统研究多关注年际尺度变化，而忽略季节性天气变异和跨年遗留效应的综合影响，这限制了精准预测草地生产力和制定适应性放牧策略的能力。

针对这一科学缺口，美国内布拉斯加大学林肯分校的研究团队在《Rangeland Ecology 》发表了历时17年（2007-2023）的生态系统监测成果。研究通过建立30个放牧排除样地，采用标准化采样方法（0.25 m²
样方）分早季（ES，4-6月）、晚季（LS，6-8月）和全季（FS）三个生长阶段，测量了C₃
草本、C₄
草本和杂类草的地上生物量。创新性地将天气变量分为三类：总量变量（降水积累量PreAcc、生长度日GDDAcc）、指数变量（标准化降水蒸散指数SPEI）和格局变量（连续干旱日数CDD、降水事件数PreEvent），并采用随机森林算法筛选关键因子后构建逐步回归模型。

主要技术方法包括：1）长期定位观测获取植物功能群生物量数据；2）基于NOAA日值数据计算多时间尺度天气变量；3）运用随机森林评估变量重要性；4）通过逐步回归建立预测模型。

研究结果揭示：

1. 早季生产动态：C₃
   草本生物量显著受前一年GDDAcc_-1
   负向调控（β=-389.77，P<0.05），而杂类草则与SPEI_-1
   呈强负相关（β=-92.18，P<0.01），表明前生长季高温会抑制次年早季C₃
   草本生长但促进杂类草发育。

2. 晚季响应特征：C₄
   草本生产与当季PreAcc_0-L
   显著正相关（β=550.75，P<0.05），而杂类草生物量受前年CDD_-1
   强烈正向驱动（β=1575.46，P<0.001），证实夏季干旱事件可通过微生境改变产生跨年促进效应。

3. 全季整合效应：总生产力主要取决于当季降水积累（PreAcc_0-F
   β=2539.10，P<0.01），但各功能群的贡献存在季节异步性——早季以C₃
   草本主导（占比41.7%），晚季则转为C₄
   草本主导（60.3%）。

讨论部分指出，该研究首次系统量化了沙丘草原不同功能群对天气变异的多尺度响应：1）C₃
草本体现"温度记忆"效应，前生长季积温每增加100单位会导致次年早季生物量减少39 kg·ha^-1
；2）C₄
草本呈现"降水即时依赖"特性；3）杂类草具有"干旱滞后响应"特征，干旱年后通过种子库激活机制实现生产力反弹。这种功能群差异化响应策略，为理解混合植被生态系统的稳定性维持机制提供了新视角。

实践意义上，研究建立的预测模型（如FS总生产力模型Adj. R²
=0.60）可直接应用于牧场管理决策支持系统，建议：1）早季放牧强度应参考前年夏季温度记录；2）晚季载畜量需结合当月降水事件频率调整；3）干旱年后需监测杂类草入侵风险。该成果为半干旱草原应对气候变化提供了可操作的适应性管理框架。